机器人调研报告.doc

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1、机器人调研报告一、引言 机器人学是一门综合性的新兴学科，机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机器人种类繁杂，可以从不同的角度对其分类，如机器人的结构形式、控制方式、信息输入方式、智能程度、用途、移动性等。这里仅按用途和

2、技术等级来说明。 1按用途分类(1)工业机器人：主要工作在柔性生产线上，如点焊、弧焊、加工、搬运、装配及喷漆机器人等。(2)自主车：其行走机构，多为四个轮子，用在自动化生产车间运送零部件，也可作为服务机器人用在医院、机场等处。(3)水下机器人：用于海底探测。(4)建筑机器人：砌墙、贴瓷砖等。(5)外星探测机器人：其行走机构常为6个轮子或8个轮子，作为外星探测工具，常称其为漫游车。(6)服务机器人：酒店及家庭服务、汽车自动加油等。(7)林业机器人：其行走机构常为履带式、腿式及轮腿结合式。用于运输木料、挖掘树根、栽种树苗及采集树果等。(8)农业机器人：用于田间作业。 图 工业机器人 图 自主车机器

3、人 图 水下机器人 图 建筑机器人 图 农业机器人 图 服务机器人 2按技术等级分类（1）第一代机器人主要以“示教再现”的方式工作。目前已商品化、实用化的工业机器人大都属于第一代机器人。“示教”是工作人员通过“示教盒”将机器人开到某些希望的位置上，按“示教盒”上的“记忆键”定义这些位置的名字，让机器人记忆这些位置。工作人员利用机器人编程语言编制机器人工作程序时，就可利用这些已定义的位置，在机器人运行工作程序时，可再现这些位置。第一代机器人具有完备的内部传感器，检测机器人各关节的位置及速度，并反馈这些信息，控制机器人的运动。 （2）第二代机器人拥有外部传感器，对工作对象、外界环境具有一定的感知能

4、力。感知的信息参加控制运算。例如，装备几个摄像机的机器人可以确定散放在工作台上的零件位置，准确地将它们拿起并放到规定的位置上去。第二代机器人正在越来越多地用于工业生产中。 （3）第三代机器人拥有多种高级传感器，对工作对象、外界环境具有高度适应性和自治能力，可以进行复杂的逻辑思维和决策，是一种高度智能化的机器人。目前，第三代机器人处于研究及发展阶段。 图 工业机器人图 特种机器人机器人主要有两大类:用于制造环境下的工业机器人和用于非制造环境下的服务 机器人。工业机器人是一种对生产环境和生产条件具有较强的适应性和灵活性的柔性 自动化装备，它主要用于现代制造业中代替人们从事繁重、重复单调、环境恶劣危

5、险、 人做不了或做不好的工作，从而减轻了人们的劳动强度，改善了劳动环境，并有效地 提高了生产的自动化程度，提高了产品质量和劳动生产率。工业机器人是柔性化制造系统FMS、自动化工厂FA和计算机集成制造系统CIMS，必不可少的自动化工具，它的发展和应用情况已成为一个国家工业自动化水平的重要标志。二、工业机器人2.1工业机器人概述工业机器人是机器人学的一个分支，它代表了机电一体化的最高成就。随着科学技术的不断发展，工业机器人已成为柔性制造系统、自动化工厂、计算机集成制造系统的自动化工具。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各

6、种功能的专门系统。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动以机械臂为例，机械臂的发展是随着机器人技术和传感器技术的不断成熟而不断 发展的。通常机械臂由多自由度机械连杆和末端夹持器(也称机械手)组成。机械臂通过多自由度机械连杆的姿态调整和机械手的动作完成操作任务。机械臂作为机器人的一个重要组成部分，起着连接和承受外力的作用，手臂需要承受物料的重量和手部、手腕、手臂自身的重量，其结构、工作范围、灵活性以及抓重大小、定位精度等对机械手性能影响很大。 图 工业机器人 图 最早关节机器人工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统

7、和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。（1） 机械结构：以关节型为主流；应汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生；CAD、CAE等技术已普遍用于设计，仿真和制造中。（2）控制技术：大多数采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用；协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制；采用基于PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流，其成本低、具有标准现场网络功能。（3）驱动技术：DD驱动技术则广泛地用于装配机器人中；

8、新一代的侍服电机与基于微处理器的智能侍服控制器相结合已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。（4）应用智能化的传感器：装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留了多种传感器接口。（5）通用机器人编程语言：美国“机器人工作空间技术公司”开发了RobotScriptV.10通用语言，运行于该公司的通用机器人控制器URC的WinNT/95环境。该语言易学医用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。（6）网络通用方式：大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3，其它采用RS-232、RA-

9、422、RS-485等通讯接口。图 工业机器人组成2.2 国内工业机器人市场特征1. 以汽车制造业为主的制造业发展促进了工业机器人的发展。汽车制造业属于技术、资金密集型产业,也是工业机器人应用最广泛的行业。在我国,工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业,主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。2.沿海经济发达地区是工业机器人的主要市场。我国工业机器人的使用集中在广东、江苏、上海、北京等地,工业机器人的拥有量占全国的一半以上,这种分布态势和增长趋势符合我国现阶段经济发展状况。我国经济最具活力的地区已经从珠江三角洲地区扩展到长江三角洲地区,而且长江三角洲地区在制造业中所占的比重越来越大。 3. 外

10、商独资企业、中外合资企业和国有企业是工业机器人的主要客户。工业机器人属于技术含量高,价格相对昂贵的制造装备,采用工业机器人较多的企业,一般对产品的质量要求较高,企业在市场上具有更高的影响力。现阶段工业机器人使用量最多的仍是外商独资或中外合资企业。国有企业也在加大对工业机器人的采购用于技术改造,另外,我国的民营企业正逐渐认识到工业机器人的优势,对工业机器人的采用量也在逐步增加。三、机械手 3.1机械手概述 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；

11、可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。3.2机械手组

12、成及分类3.2.1机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图所示。图 机械手组成方框图(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。、手部:即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为：夹持式和吸附式手。表 手部结构手指运动形式回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛平移型结构比较复杂，应用较少，适宜夹持直径变化范围大的工件手指结构常用的指形有平面的、V形面的和曲面的；手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。传力机构型式常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝

13、杠螺母弹簧式和重力式等。 、手腕:是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势) 、手臂:是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。 、立柱:是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 、行走机构:当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩

14、大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 、机座:是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。 (三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信

15、息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。3.2.2机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 (一)按用途：专用机械手和通用机械手两种。、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心。 、通用机械手它是一种具有独立控

16、制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。(二) 按驱动方式：液压传动机械手、气压传动机械手、机械传动机械手、电力传动机械手。 、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是

17、:介质源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要

18、中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三) 按控制方式：点位控制、连续轨迹控制 、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。（四） 按机械结构、坐标系特点：直角坐标型，

19、圆柱坐标型，球坐标型，多关节型 等。直角坐标型机械臂 其运动部分由三个相互垂直的直线移动(即PPP)组成，其工作空间图形为长方形。它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，控制无耦合，结构简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，灵活性差，难与其他工业机器人协调工作。 图 直角坐标型机械臂 图 圆柱坐标型机械臂圆柱坐标型机械臂其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的，其工作空间图 形为圆柱，与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积 小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其他工业机器人

20、协调工作。球坐标型工业机器人又称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动所组成，其工作空间为一球体，它可以作上下俯仰动作并能抓取地面上或教低位置的协调工件，其位置精度高，位置误差与臂长成正比。 图 球坐标型机械臂 图 多关节型机械臂 图 平面关节型机械臂 多关节型工业机器人 又称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂与人一体上肢类似，其前三个关节是回转副(即RRR)，该工业机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂做回转运动和俯仰摆动，小臂做仰俯摆动。其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，能与其他工业机器人协调工作， 但位置精度较低

21、，有平衡问题，控制耦合，这种工业机器人应用越来越广泛。 平面关节型工业机器人 它采用一个移动关节和两个回转关节，移动关节实现上下运动，而两个回转关节则控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人又称装配机器人。在水平方向则具有柔顺性，而在垂直方向则有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业的插接、装配中应用广泛。3.2.3工业机器人与机械手工业机器人是一种能自动定位控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、零件和操持工具，用于完成各种作业。而操作机又定义为：具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。是有

22、独立机械机构和控制系统，能自主的 、运动复杂、工作自由度多、操作程序可变，可任意定位的自动化操作机（系统）。机械手是模拟人手和臂动作的机电系统，根据机电耦合原理，按主从原则进行工作，因此，它只是人手和臂的延长物，没有自主能力，附属于主机设备，动作简单、操作程序固定的重复操作，定位点不变的操作装置。表 工业机器人与机械手区别工业机器人控制系统中装有电子计算机，可通过改变软件的方式实现动作程序的变化，以完成多种作业要求；程序可变的、适用于多品种小批量的通用自动机械。机械手控制系统中没有电子计算机，动作程序通常不能改变或通过硬件稍有变更；程序固定的、适合于大批量生产的专用自动机械； 3.3机械手结构设计机械臂作为机器人的一个重要组成部分，起着连接和承受外力的作用，手臂需要承受物料的重量和手部、手腕、手臂自身的重量，其结构、工作范围、灵活性以及抓重大小、定位精度等对机 械手性能影响很大。因此在设计手臂的结构形式时，除了要考虑上述因素外，还应注意一下几点: (1)手臂应承载能力大、刚性好、重量轻，保证手臂准确工作并具有一定的定位精度。 （2）应使手臂运动速度快，惯性小、动作灵活。 (3)应使手臂传动准确，导向性好。 (4)输油管道的布置应合理，不妨碍机械手的运动且使手臂外形整齐，结构紧凑。 (5)其他要求，如高温作业，应考虑辐射的影响；粉尘场合应设有防尘装置等。